基于EWB的運(yùn)算放大器仿真教學(xué)及應(yīng)用

 在模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)這門課中，運(yùn)算放大器及其線性應(yīng)用內(nèi)容是教學(xué)中的一個重要內(nèi)容，如何在教學(xué)中使學(xué)生熟練掌握這些內(nèi)容是教學(xué)中必須解決的問題。運(yùn)用EWB仿真輔助教學(xué)，對這些內(nèi)容進(jìn)行仿真分析，并將其應(yīng)用到相關(guān)的內(nèi)容教學(xué)中，有助于學(xué)生對這些內(nèi)容的理解與掌握。

EWB(Electronic Workbench)軟件是InterActive Image Technologies Ltd在20世紀(jì)90年代初推出的電路仿真軟件。目前普遍使用的是EWB5.2，相對于其它EDA軟件，它是較小巧的軟件(只有16 M)。但它對模數(shù)電路的混合仿真功能卻十分強(qiáng)大，幾乎100%地仿真出真實(shí)電路的結(jié)果，并且它在桌面上提供了萬用表、示波器、信號發(fā)生器、掃頻儀、邏輯分析儀、數(shù)字信號發(fā)生器、邏輯轉(zhuǎn)換器和電壓表、電流表等儀器儀表。它的界面直觀，易學(xué)易用。

1 基于EWB的運(yùn)算放大器及其線性應(yīng)用電路仿真教學(xué)

通過仿真可以生動具體的將電路及結(jié)論展示給學(xué)生，一方面加深了學(xué)生對理論的理解，另一方面學(xué)生通過仿真軟件了解了電路的結(jié)構(gòu)和使用方法。

1.1 同相比例放大電路

電壓增益Av

根據(jù)虛短和虛斷的概念有：

(此處設(shè)問，讓學(xué)生計(jì)算出該仿真電路的電壓放大倍數(shù))

根據(jù)仿真電路圖得到，計(jì)算出同相比例放大電路的理論電壓放大倍數(shù)為：

仿真結(jié)論：

通過仿真，觀察圖2示波器：藍(lán)色為輸入信號(上面)，紅色為輸出信號(下面)，兩波形的幅度讀數(shù)相等，但輸入信號波形每格對應(yīng)的是200 mV，輸出波形的每格對應(yīng)的是2 V，相位相同，因此輸出信號與輸入信號波形電壓比為10，該結(jié)論與理論值相符合。

1.2 電壓跟隨器

特性分析：

根據(jù)虛擬短路和根據(jù)虛擬斷路：vo=vn≈vp=vi

仿真結(jié)論：

通過仿真，觀察圖4示波器：兩波形的幅度讀數(shù)相等，相位相同，因此輸出信號與輸入信號波形電壓比為1，該結(jié)論與理論值相符合。

1.3 反相比例放大電路

電壓增益AV

提問：“-”是什么意思? (可作為公式直接使用)

根據(jù)仿真電路圖得到，反相比例放大器，理論電壓放大倍數(shù)為-1(此處設(shè)問，讓學(xué)生計(jì)算出該仿真電路的電壓放大倍數(shù))

仿真結(jié)論：

通過仿真，觀察圖6示波器：水平軸上面為輸入信號波形，水平軸下面為輸出信號，兩波形的幅度讀數(shù)相等，但輸入信號波形每格對應(yīng)的是2 V，輸出波形的每格對應(yīng)的是2 V，但相位是相反的，因此輸出信號與輸入信號電壓比為-1，該結(jié)論與理論值相符合。

1. 4 運(yùn)算放大器應(yīng)用實(shí)例解答及其仿真輔助教學(xué)

例圖7直流毫伏表電路，當(dāng)R2>>R3時，

1)試證明Vs=(R3R1/R2)Im;

2)R1=R2=150 kW，R3=1 kW，輸入信號電壓

Vs=100 mV時，通過毫伏表的最大電流Im(max)=?

解：(1)根據(jù)虛斷有Ii=0

所以I2=Is=Vs/R1

又根據(jù)虛短有Vp=Vn=0

R2和R3相當(dāng)于并聯(lián)，

所以-I2R2=R3(I2-Im)

所以，當(dāng)R2>>R3時，Vs=(R3R1/R2)Im

(2)代入數(shù)據(jù)計(jì)算即可得Im=100μA。

仿真結(jié)論：

通過仿真，觀察虛擬示波器圖9可以讀出輸入信號為100.00 mV，輸出信號為-100.665μV，由于示波器不能直接測電流，因此只有通過將電流轉(zhuǎn)換為電壓來測量，所以仿真電路中用了一個電流控制電壓源，控制系數(shù)為1 Ω，因此，將示波器讀出來的電壓-100.665μV，轉(zhuǎn)換為電流就是-100.665μA，符號表示電流的方向從負(fù)載流出，同電路圖中標(biāo)示的方向是一致的，誤差為0.665μA，這個誤差非常小，在工程上完全可以忽略。

2 結(jié)束語

綜上所述，通過EWB對運(yùn)算放大器及其線性應(yīng)用電路的仿真教學(xué)，可以將比較枯燥的理論講解和仿真實(shí)驗(yàn)巧妙的結(jié)合起來，充分利用仿真技術(shù)對相應(yīng)的電路進(jìn)行仿真，可以使一些結(jié)論等內(nèi)容得到驗(yàn)證，從而加深學(xué)生對理論的理解，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、興趣愛好及提高課堂效率;另外生動的仿真也加深了學(xué)生對理論的理解記憶，從而實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)際的結(jié)合，并且在還可以充分利用仿真這個虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，學(xué)生只需要掌握這些仿真軟件使用方法，就可解決學(xué)校辦學(xué)設(shè)備不足，可以克服實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)箱只能做固定的一些實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)，學(xué)生可以自主的任意設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從而大大豐富拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容與手段，有利于培養(yǎng)學(xué)生綜合和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的能力及提高學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力。